印制电路板pcb的设计与抗电磁干扰技术

印制电路板pcb的设计与抗电磁干扰技术

0组件布局设计和封装工艺结构的联合随着数字、计算机科学和计算机科学的进步，人们的工作和生活发生了很大变化。科学技术的飞速发展,特别是电子技术的发展,从生产到生活的各个领域,电气产品的使用越来越广泛。而电气产品的重要组件——印制电路板的设计和抗电磁干扰技术也日益受到人们的重视。印制电路板(PCB)是在通用基材上,按预定设计形成点间连接元件的电路板。PCB一般按用途、基材和结构又分为军用印制板、民用印制板、工业用印制板等。PCB设计是其从电原理图变成一个电子产品必经的过程,其设计的合理性与产品生产及产品质量紧密相关。而对于许多从事电子设计的人员来说,由于组件布局设计和布线方向的不同,结果会产生很大的差异。在电路设计的过程中,由于电子元器件的分布密度大,连接元器件之间的布线间隔愈来愈小,加上模块电路大大缩小了电子产品的体积。虽然电路会变得很灵巧,但势必会有更多的元件集中在一个小空间内,必然会导致电路间的互相干扰,其中以电磁干扰及噪声颇令设计工程师感到困扰。因而,必须把如何正确设计PCB组件布局和正确选择布线方向及整体仪器的工艺结构三方面联合考虑。合理的工艺结构,既可消除因布线不当而产生的电磁干扰及噪声,同时也便于生产中的安装和调试。1高频区域内元件的布置要求电子线路要想获得最佳的性能,元器件的布局及导线的布设是非常重要的一环。在印制电路板总体设计时,首先要考虑PCB板尺寸大小。PCB板尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也相应增加;如果尺寸过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。总的来说,确定PCB板尺寸后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行总体布局时,应满足以下要求:(1)在电路板上有高压电路和低压电路时,高压电路与低压电路的元器件要分隔放置,隔离距离与要承受的耐压有关,通常情况下,在2000V时板上的线间距不小于2mm。(2)以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在线路板上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线。(3)对元器件重量超过20g的应当采取固定措施,固定完毕后再进行焊接。有些元器件又大又重、散热量大的应尽量布置在印制板的上端,热敏元件应远离发热元件。(4)对照电路的流程,安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号流向尽可能保持一致的方向。(5)一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观,而且方便装焊。在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。(6)PCB板边缘的元器件,离PCB板边缘一般不小于2mm。PCB板的最佳形状为矩形,长宽比为3∶2。电路板面尺寸大于150mm×200mm时应考虑电路板的机械强度。(7)个别元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引起短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方,避免造成高压电击。(8)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求,应放置在与调节旋钮相适应的位置。(9)尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少其分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能放置太近,输出和输入元件应尽可能远离。2提高数字电路的准确度随着电子技术的飞速发展,大规模、超大规模集成电路的使用使PCB的布线愈加精密和复杂,PCB布线设计的好坏对印制电路板的影响很大。在进行PCB设计时,不但要按照PCB设计的基本规则,而且还要考虑如何降低电板的电磁辐射和抗干扰性能。在PCB布线设计时,通过合理的电源布线设计、信号布线设计,也是提高电磁兼容的好办法。(1)为了抑制PCB导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线,尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉,在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制信号串扰。(2)PCB导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1~3mm时,可通过2A的电流。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.25~0.4mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小至5mm。(3)PCB导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或锐角在高频电路中会影响电气性能。此外,应尽量避免使用大面积铜箔,否则长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用网眼形状布设,这有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。(4)焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。(5)输入输出端用的PCB导线应尽量避免相邻平行,最好在输入输出端加线间地线,以免发生反馈耦合。3电子设备的工作环境在电子产品设计中,人们容易忽视在设计中融入抗干扰技术,这是因为设计者常常把主要精力都集中在实现产品的功能设计方面,而忽视了电子产品内部或电子产品之间还会出现互相的电磁干扰问题,尤其是在进行高频电子系统设计时,一旦忽视了抗电磁干扰技术,就会出现电子设备因受到系统的电磁干扰,而最终不得不进行重新设计的尴尬地步。现在的电子工程师及线路的设计者,除了要确认设计的电路能工作于理想的实验环境外,还要使电路能工作在有电磁干扰或噪声的实际环境中。好的电路设计,电路在工作中不被外来的噪声所干扰,而且本身也不成为干扰源。从设计的角度看,PCB的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系。3.1抗噪声设计电源和地线方式的合理选择是仪器可靠工作的重要保证。相当多的干扰源来自电源和地线,其中地线引起的噪声干扰最大。根据PCB电流的大小,电源线、地线线条的设计要尽量粗而短,尤其是地线,这样可减少环路电阻,同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。在条件允许的情况下尽量采用多层板。实践证明,四层板比双面板噪声低20dB,六层板又比四层板噪声低10dB。3.2接地电路的设计接地问题是一个表面上看似简单但实质上却很复杂的系统工程。接地的实施与系统其他电路的设计同样重要,良好的接“地”设计,不仅可以有效地抑制外来电磁干扰的侵入,而且还保证设备和系统安全稳定可靠地运行。在地线设计时应考虑系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:(1)正确选择单点接地与多点接地在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。(2)数字地与模拟地设计要分开若线路板上既有逻辑电路又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量用栅格状大面积接地。(3)接地线应尽量加粗,地线宽度应是信号、控制线的1~3倍若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如印制板条件允许,接地线应在2~3mm以上。(4)接地线构成闭环路当只有数字电路组成的PCB时,其接地电路布线成团环路,大多能提高抗噪声能力。其原因在于:PCB上有很多集成电路元件,尤其遇到能耗高的元件时,因受接地线粗细的限制,会产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。(5)CMOS运放电路的输入阻抗很高,且易受感应,在使用时对不用端要接地或接正电源。信号线间设置地线,在PCB允许的条件下,地线布设得越多抗串扰越好。3.3电容的选择和布置在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。如在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。为消除公共阻抗有害耦合,PCB设计的常规做法之一是,在印制板的各个关键部位配置适当的去耦电容,去耦电容的一般配置原则是:(1)电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的效果更好。(2)各元件的电源输入端对地VDD-VSS,VBB-VSS间接入高频特性好的0.1μF的陶瓷电容作为高频去耦。(3)每个集成电路芯片都应布置一个0.01μF的陶瓷电容,如果印制板空隙不够,可每3~6个芯片布置一个1~10μF的钽电容。(4)对于抗噪能力弱、关断时电源变化较大的ROM、RAM存储器件,应在芯片的电源线和地线的进线端接入退耦电容,电容选择10~100μF,以提高电路的抗噪声能力。(5)电容引线不宜太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。4器件的排列和布置电子产品的设计除了整机的热设计外,PCB板的热设计也十分重要。在设计PCB装配工艺时,要从有利于散热的角度出发,PCB板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,对于采用空气自由对流冷却的器件,最好是将集成电路按纵长方式排列;对于采用强制空气冷却的器件,最好是将集成电路按横长方式排列。同一块PCB上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的入口处,发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流走向的下方。在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域,不能将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布设。设备内PCB的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,因此,在PCB上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空间,整机在配置时也应注意同样的问题。大量实践经验表明,设计合理的